Здание 75х18 метров

Рассмотрим выполнение прогнозного моделирования температурного поля грунтов основания здания с размерами 75х18 метров в плане.

Примечание: Пример подготовлен с использованием материалов ПАО «ВНИПИгаздобыча». Строительные решения, климатические параметры, геологические и геокриологические условия, последовательность строительных работ изменены для целей примера расчета и не соответствуют реальному объекту.

Здание 75х18м. Общий вид
Здание 75х18м. Общий вид. Разрезы

Климатические характеристики

Климатические характеристики района строительства приведены в таблице.

ПоказательМесяцы
IIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXII
Температура в-ха, ⁰С-23.7-22.9-14.4-8.2 0.0 9.9 15.7 12.0 5.7-4.2-15.2-20.9
Скорость ветра, м/с3.03.13.33.53.83.83.33.03.23.33.02.9
Высота снега, м0.530.620.680.650.28----0.080.250.40

Геокриологические условия

Геокриологические условия площадки характеризуются сплошным развитием многолетнемерзлых грунтов, мерзлота сливающегося типа. Температура грунтов на глубине 10 метров составляет минус 1,0 ⁰С.

Здание 75х18м. Геология

В материалах рабочей документации имеются лабораторные измерения части теплофизических свойств грунтов. Т.к. из представленных на геологическом разрезе данных по фактическим характеристикам теплофизических свойств не ясны условия, при которых производились измерения, то при моделировании температурного поля приняты расчетные характеристики грунтов.

Наименование
показателя
ОбозначениеЕд.измеренияНасыпной грунтИГЭ №141100.
Суглинок
слабольдистый
незасоленый
ИГЭ №141000Э.
Суглинок нельдистый
ИГЭ №140200.
Суглинок тугопластичный
Физические свойства
Плотность грунта в сухом состоянииRdfкг/м31740144518401530
Суммарная влажностьWtotд.е.0,180,3060,1490,252
Степень засоленностиDsal%-0,0490,0590,057
Число пластичностиIpд.е.-0,1210,1020,131
Влажность на границе раскатыванияWpд.е.-0,1810,2070,204
Теплофизические свойства
Температура начала замерзанияTbf⁰С-0,15-0,12-0,17-0,34
Теплопроводность талого грунтаλthВт/(м*К)2,321,591,551,5
Теплопроводность мерзлого грунтаλfВт/(м*К)2,731,811,761,75
Объемная теплоемкость талого грунтаCthМДж/м32,633,172,793,01
Объемная теплоемкость мерзлого грунтаCfМДж/м31,932,322,382,33
Коэффициенты кривой незамерзшей воды
Ww(t)= A + B / (C - t),
где t - температура, ⁰С
А-0,00130,0660,06860,0786
B-0,00160,10010,20510,0971
C-0,44520,56112,37770,4059
Теплота фазового переходаQfМДж/м3----

Строительные решения

Техническими решениями предусматривается сооружение здания на стальном каркасе со стенами из сандвич-панелей. Здание устанавливается на свайный фундамент на проветриваемом подполье.

Грунты основания используются по I принципу, т.е. с сохранением мерзлого состояния в процессе строительства и эксплуатации.

Здание 75х18м. Схема Свай

Сваи фундамента погружаются в грунт буроопускным способом. Технология погружения свай рассматривается по следующим вариантам:

  • Вариант 1. Заполнение свай бетоном.
    Заполнение свай по данному варианту осуществляется согласно требованиям п.6.3.10 СП 25.13330.2012, при этом бетон Б7,5 замен на раствор М100 исходя из рисков невозможности погружения сваи в раствор с щебенистым заполнителем.
    Бурится скважина диаметром большим чем погружаемая свая.  Скважина заполняется цементно-песчаным раствором (ЦПР). Объем ЦПР определяется из расчета выдавливания его в затрубное пространство при погружении сваи. Укладываемый раствор должен иметь положительную температуру (зимой подогреть до 20 ⁰С). Затрубное пространство сваи на высоту сезонно-талого слоя заполняется сухим непучинистым грунтом. Внутренняя полость сваи заполняется ЦПР имеющим иметь положительную температуру (зимой подогретым до 20 ⁰С).
  • Вариант 2. Заполнение свай грунтом.
    Заполнение свай по данному варианту осуществляется согласно требованиям п.3.19 действовавшего ранее СНиП 2.02.04-88.
    Бурится скважина диаметром большим чем погружаемая свая.  Скважина заполняется грунтовым раствором. Укладываемый раствор должен иметь положительную температуру. Затрубное пространство сваи на высоту сезонно-талого слоя заполняется сухим непучинистым грунтом. Внутренняя полость сваи заполняется сухим грунтом или сухой цементно-песчаной смесью, а на высоту сезонно-талого слоя заполняется бетоном B15. Усредненная температура по свае и затрубном пространстве принята 10⁰С.
Температурная стабилизация

Данный пример предусматривает использование только проветриваемого подполья для термостабилизации грунтов оснований.

Прогноз температурного режима грунтов

Прогнозное моделирование осуществлялось с учетом требований к порядку составления прогноза изменения температурного режима грунтов, РСН 31-83 (п. 1.6., 2.35., 3.15.- 3.19., 4.16.-4.19.) и РСН 67-87. Расчеты выполнялись на программе «Борей 3D» (www.boreas3d.ru). Программа Борей 3D сертифицирована на предмет соответствия нормативных документов. Сертификат №RA.RU.АБ86.H01114.

Моделирование температурного режима грунтов осуществляется в трехмерной постановке. Моделируемая область является трехмерным параллелепипедом, ограниченным сверху дневной поверхностью на нижней и боковых гранях расчетной области, задается нулевой тепловой поток.

Размеры области определяются конструктивно-техническими особенностями рассматриваемого объекта (геотехнической системы), расчетным сроком моделирования, а также симметричностью тепловых расчетов в горизонтальной плоскости относительно вертикальной оси, проходящей через геометрический центр сооружения, исходя из условия исключения теплового влияния границ области на результаты расчета (его отсутствия через боковые границы).

Этапы выполнения строительства

Расчет выполнялся с поэтапным моделированием строительного периода:

  • Первый этап – возведение насыпи.
    Моделировалось изменение теплового режима грунтов при возведении насыпи. Для данных расчетов принят вариант возведения насыпи в конце зимнего периода мерзлым грунтом. Срок прогноза составлял один календарный год. В качестве начального температурного поля приняты значения температур грунтов полученные при процедуре адаптации граничных условий.
  • Второй этап – период эксплуатации.
    Моделировалось тепловое воздействие от строительства и эксплуатации сооружения. Погружения свай, СОУ и засыпка контейнера с емкостями приняты на момент 15 мая. Температурное с первого этапа моделирования (возведения насыпи) принято в качестве начального температурного поля грунтов.
Адаптация условий теплообмена

Теплообмен на поверхности земли зависит от большого числа факторов: альбедо естественных или искусственных поверхностей, прямой и рассеянной солнечной радиации, конвективной (скорость ветра на поверхности земли), инфильтрации и испарения влаги, кондуктивной составляющей (теплопроводность и мощность растительного и снежного покровов) и т.д. Влияние некоторых из них на формирование теплового режима сложно корректно оценить. В связи с этим, расчеты производятся с использованием эффективных величин коэффициента теплопередачи. Методика расчета эффективной величины коэффициента теплопередачи (адаптации) реализована в ПО Борей 3D в автоматическом режиме. Методика адаптации будет приведена на сайте.

Значения адаптированных граничных условий приведены в таблице ниже.

ПоказательМесяцы
IIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXII
Температура в-ха, ⁰С-23,7-22,9-14,4-8,20,09,915,712,05,7-4,2-15,2-20,9
Скорость ветра, м/с3,03,13,33,53,83,83,33,03,23,33,02,9
Теплоотдача, Вт/(м2*К)9,539,7710,2510,7311,4511,4510,259,5310,0110,259,539,29
Высота снега, м0,2300,2690,2950,2820,122----0,0350,1090,174
Плотность снега, кг/м3131138143150348----96110121
Теплопроводность снега, Вт/(м*К)0,1920,2000,2060,2140,575----0,1550,1680,181
Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2*К)0,7670,6910,6520,7083,34811,45010,2509,53010,0103,1121,3330,935
Расчетная область

Расчетная область представляет собой параллелепипед с размерами 150 х 80 х 50 метров. Расчетная область показана на рисунке.

Здание 75х18м. 3D Модель

Схема расположения свай и строительных конструкций в модели приведена на рисунке.

Здание 75х18м. 2D Вид

На верхней границе расчетной области задавались адаптированные граничные условия третьего рода с учетом снежного покрова, а также граничные условия, характеризующие работу проветриваемого подполья. На нижней границе и на боковых границах расчетной области – граничные условия второго рода, тепловой поток равен нулю.

По варианту 1, в расчете учтено тепловое влияние от свай при устройстве фундамента, как с подогревом бетона при бетонировании свай, так и с теплом, выделяемым при гидратации. График тепловыделения от цементно-песчаного раствора М100 приведен на рисунке.

График тепловыделения раствора M100 (май)

Область исследования разбивается на прямоугольные элементы произвольных размеров. Разбивка производится горизонтальными и вертикальными плоскостями (разбивочными плоскостями), параллельными соответствующим границам области. В расчетной области шаг горизонтальной сетки изменялся в пределах от 0,1 до 1,0 м. Вертикальная разбивка осуществлялась в пределах от 0.1 до 3.0 м. Расчетная область состоит из 462х151х69 ячеек (4,8 млн. ячеек).

Результаты расчета

Результаты расчета приведены на рисунках ниже.

Трехмерное температурное поле на 15 сентября 1-го года эксплуатации.

Трехмерное температурное поле ММГ здания 75х18м на15.09.2000

Сечение (разрез) температурного поля грунтов оснований.

Температурное поле грунтов на 15 мая 1-го года (начало эксплуатации).

Заполнение свай бетоном

Температуроное поле грунтов при заполнении свай ЦПР на 15.05.2000

Заполнение свай грунтом

Температурное поле грунтов при заполнении свай ЦПС на 15.05.2000 1

Температурное поле грунтов на 15 октября 1-го года.

Заполнение свай бетоном

Температурное поле грунтов при заполнении свай ЦПР на 15.10.2000

Заполнение свай грунтом

Температурное поле грунтов при заполнении свай ЦПС на 15.10.2000 1

Температурное поле грунтов на 15 октября 2-го года.

Заполнение свай бетоном

Температурное поле грунтов при заполнении свай ЦПР на 15.10.2001

Заполнение свай грунтом

Температурное поле грунтов при заполнении свай ЦПС на 15.10.2001 1

Температурное поле грунтов на 15 октября 3-го года.

Заполнение свай бетоном

Температурное поле грунтов при заполнении свай ЦПР на 15.10.2002

Заполнение свай грунтом

Температурное поле грунтов при заполнении свай ЦПС на 15.10.2002 1

Температурное поле грунтов на 15 октября 5-го года.

Заполнение свай бетоном

Температурное поле грунтов при заполнении свай ЦПР на 15.10.2005

Заполнение свай грунтом

Температурное поле грунтов при заполнении свай ЦПС на 15.10.2005 1

Вариант 1. Заполнение свай бетоном.

Расчетные температуры по термометрической скважине т.скв.2 (показана на схеме расположения элементов модели), расположенной под зданием приведены в таблице.

Глубина, мТемпература грунта по термометрической скважине, ⁰С
На начало расчета
(15 мая)
На конец летних периодов (15 октября)
1 год2 год3 год
1,0-1,711,86-0,09-0,09
2,0-1,50-0,15-0,27-0,30
3,0-0,80-0,16-0,70-0,81
4,0-0,90-0,21-0,82-0,96
5,0-1,04-0,32-0,80-0,93
6,0-1,08-0,39-0,79-0,88
7,0-1,07-0,40-0,79-0,85
8,0-1,05-0,39-0,81-0,85
9,0-1,02-0,37-0,82-0,86
10,0-1,01-0,36-0,83-0,87
11,0-1,00-0,37-0,85-0,88
12,0-1,00-0,47-0,87-0,90
13,0-0,99-0,68-0,89-0,91
14,0-0,99-0,86-0,91-0,92
15,0-0,98-0,95-0,93-0,93

Вариант 2. Заполнение свай грунтом.

Расчетные температуры по термометрической скважине т.скв.2 (показана на схеме расположения элементов модели), расположенной под зданием приведены в таблице.

Глубина, мТемпература грунта по термометрической скважине, ⁰С
На начало расчета
(15 мая)
На конец летних периодов (15 октября)
1 год2 год3 год
1,0-1,71-0,08-0,09-0,09
2,0-1,50-0,22-0,28-0,30
3,0-0,80-0,60-0,80-0,86
4,0-0,90-0,79-0,97-1,04
5,0-1,04-0,87-0,98-1,04
6,0-1,08-0,91-0,96-1,00
7,0-1,07-0,93-0,95-0,97
8,0-1,05-0,93-0,96-0,97
9,0-1,02-0,92-0,97-0,97
10,0-1,01-0,91-0,97-0,97
11,0-1,00-0,91-0,97-0,97
12,0-1,00-0,92-0,97-0,97
13,0-0,99-0,94-0,97-0,97
14,0-0,99-0,96-0,97-0,97
15,0-0,98-0,97-0,97-0,97

Время выполнения расчета модели, состоящей из 4,8 млн. ячеек на 30-ти летний период составляет:

  • На центральном процессоре (Intel i7-6700К) — 20 часов 10 минут.
  • На видеокарте (GeForce GTX 1080) — 54 минуты.

Выводы

Исходя из представленных расчетов можно сделать вывод о том, что тепловыделения от свай при заполнении свай цементно-песчаными раствором и гидратации цемента в процессе твердения приводит к повышению температур грунтов. Восстановление исходного температурного состояния, в результате работы проветриваемого подполья, происходит в течении 5-6 лет эксплуатации.

Файлы для загрузки

Фалы примера доступны по ссылке.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

14 + пять =